水泥土搅拌桩复合地基沉降计算方法

水泥土搅拌桩复合地基沉降计算方法探讨摘要：水泥土搅拌桩是用于加固饱和软粘土、砂土、饱和黄土地基等的一种有效方法，它通常用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械在地基深部将软土和固化剂强制搅和，使软土硬结而提高地基强度，此法由于其良好的经济效益和社会效益正得到广泛的应用，但最近有关水泥土搅拌桩工程的事故接二连三发生，说明水泥土搅拌桩复合地基沉降计算存在一定自身局限性。本文主要结合本人从事水泥土搅拌桩的一些经验，针对水泥土搅拌桩复合地基一些常用的沉降计算方法进行了探讨。1、水泥土搅拌桩发展现状水泥土搅拌桩源于美国，20世纪50年代引入日本，我国从1977年开始引进此技术，并已广泛用于地基加固、边坡支护、防渗等工程中【1】。我国由铁道部第四勘测设计院于1983年用DPP—100型汽车钻改装成国内第一台分体喷射搅拌机，并使用石灰作为固化剂，应用于铁路涵洞加固。1986年开始使用水泥作为固化剂，应用于房屋建筑的软土地基加固。1987年铁四院和上海探矿机械厂制成GPP—5型步履式粉喷机，成桩直径500mm，加固深度12.5m。此后，该厂又生产出GPP—7型步履式粉喷机，成桩直径500mm，加固深度18m。当前国内粉喷机的成桩直径一般在之间，成孔深度可达18m【2】。2、三种沉降计算方法分析2.1实体深基础法实体深基础法是许多复合地基计算沉降常用的一种方法。此种方法是将复合土层看成一假想实体，复合地基沉降量S包括加固区土层压缩量S1和下卧土层压缩量S2两部分。即其计算式为：（2.1）（2.2）（2.3）（2.4）式中：为复合地基承载力标准值（KPa）为桩间天然地基土承载力标准值（KPa）n为下卧层土层分层数、为加固区顶面、底面平均附加应力（KPa）为水泥土桩长m’为桩群底面以上水泥土平均容重（）为假想实体底面压力（KPa）为地基加固区面积（m2）、别为假象实体底面积和侧面积（m2）为假想实体自重(KN)为假想实体基础侧壁上的平均摩擦力（KN）、分别为桩土复合模量、桩间土压缩模量。有关文献和大量的工程实践表明：采用实体深基础法计算得到的沉降量远大于实际沉降量，究其原因，笔者认为主要存在以下几方面的原因：（1）加固区整体复合模量计算式是在某些特定理想条件下导出的，即：复合地基上的基础无限大，且基础相对刚性；桩端落在坚硬的土层上，且没有向下的刺入变形；桩长是无限的，而未考虑桩和桩间土的相互作用。（2）为桩间天然地基土承载力标准值，没有考虑桩体对于桩间土的挤密作用，使得的取值偏小，从而增大了假想实体底面压力偏大，采用式（2.1）算的S值偏大。（3）临界桩长（Lc）未引入水泥土搅拌桩复合地基计算当中。水泥土搅拌桩在荷载作用下，桩体的压缩应变由上而下逐渐减小，桩与四周土体之间的相对位移也由上而下逐渐减小，桩侧阻力也是自上而下逐渐减小，桩侧阻力的发挥远早于桩端阻力的发挥，桩身变形和桩侧摩阻力主要发生在临界桩长范围内，而临界桩长以下的桩体压缩变形近似为零。（4）的计算准确与否直接影响到沉降计算的准确性。在实际工程中，有人把看作是作用在基础底面的附加应力，这种看法是不正确的。因为由于加固层的应力扩散作用，使桩端的附加应力不等于（一般小于）基础底面的附加应力，应力扩散角应取多大也没有明确的规定。2.2复合模量法此方法也是规范推荐的一种方法，复合模量法与实体深基础法相比较考虑到搅拌桩的改良作用，用加固土层的桩土复合模量代替天然地基土的变形模量，加固区土层的复合模量不采用实体深基础法的整体计算，而根据土层的不同，分层计算。从而分层计算出加固区各土层的沉降量。即：（2.5）（2.6）式中：为第i层复合土层的附加应力（KPa）为面积置换率搅拌桩的压缩模量，可取（100~200）（KPa）第i层桩间土的压缩模量（KPa）第i层土的厚度（m）搅拌桩复合土层的压缩模量（KPa）复合模量法计算沉降比实体深基础法更合理一些，这种计算方法受人为因素影响较小。由于采用的是加固土层分层计算，更贴近实际的沉降量。但是，此方法也存在不少缺点，主要表现在以下几个方面：（1）它在加固区的附加应力仍取天然地基中的值，事实上，地基中的附加应力是将地基视为半空间无限体"弹性体"均质体而得出的，但水泥土搅拌桩并非均质体。故其复合地基中的附加应力不等同于天然地基。（2）仍然没有考虑临界桩长的问题，使得计算的沉降值与实际沉降有差别。三层模量法三层模量法笔者认为较为科学的一种计算方法，其计算模型如下图一，此种方法把沉降分为三个部分：（1）临界桩长部分，桩身压缩大，其压缩量为；（2）临界桩长以外部分，由于其受到荷载作用很小，可认为桩身不被压缩。沉降量接近为零；（3）下卧层部分压缩量。将上述三部分的压缩量叠加之和即为总沉降量。计算公式如下：（2.7）式中：、、分别为临界桩长深度内土层的分层数、临界桩长以外深度内土层的分层数、下卧层深度内土层的分层数；、、分别为临界桩长深度内第i层土的厚度（m）、临界桩长以外深度内第j层土的厚度（m）、下卧层深度内第k层土的厚度（m）。三层模量法计算理论比较符合水泥土搅拌桩工作特性，公式也比较简单。但是，对于临界桩长的推求比较困难；如果承台底部铺设砂石垫层，桩和桩间土的非同步压缩协调变形表现的很明显，导致各桩的刺入性沉降相等，桩间土的作用充分发挥出来。此时的压缩模量选用复合地基模量比较符合实际；下卧层顶部的附加应力确定也存在一定的困难。3、结论水泥土搅拌桩的沉降计算主要有以上三种方法。实体深基础法是一种理想状态下建立的计算模型，此种方法计算值往往比实际值大，加大了工程造价，浪费了材料。但是此种方法计算的结果是偏于安全的，在实际应用中应该加以修正；复合模量法相对比较接近实际，但是存在文中提到的几方面问题，在实际应用中应该加以考虑，以便降低工程造价；三层模量法是最接近实际情况的一种计算模型，其中一些参数推求比较困难，可借助计算机软件建立模型加以求解，在实践工作中可以加以应用。参考文献【1】张季超,刘积长,向伟明等.基础工程处理与检测实录[M],北京:中国建材工业出版社,198